浅谈煤各变质类型及变质作用
摘要:本文介绍中国煤变质的主要类型,根据受热的主要热源及作用方式和煤质特征等,不同的影响因素划分不同的煤变质作用类型。总结概括为深成变质作用、岩浆热变质作用、动力变质作用和热水变质作用。阐述了煤变质作用的特点。在前人研究的基础上,笔者就影响煤变质的主要因素谈谈看法,供讨论。关键词:煤变质作用 变质类型 影响因素1. 前言煤变质作用指由褐煤转变为烟煤、无烟煤、超无烟煤的物理化学作用。煤变质的范围是从褐煤到石墨的演变。煤的变质研究是预测煤质与指导开采所需煤种的理论基础,可以预测煤类,以适应社会主义经济建设的需要,还可以从另一个侧面来探讨有关煤的形成条件、地热和大地构造等问题。煤变质问题与煤的成因及后生变化关系密切,具有重大的经济意义和理论意义。研究各类变质作用所引起的有关变化特点确定变质类型,是研究煤级分布规律的重要基础。2. 煤的变质类型划分煤变质类型有很多分类方法,现总结如下:煤的变质是温度、压力和时间长期作用的结果,其中温度是煤变质的主导因素,在煤的埋藏过程中,温度加速化学煤化作用,而压力可以促进物理结构煤化作用[1]。时间无疑是煤变质的因素之一,不论温度或压力等哪种因素起主导作用,都将随着时间的变化而增减其作用的强度。控制煤及分散有机质演化-变质作用的热状态总体特征,可用含煤岩系各点古地热流的大小和方向来描述。而含煤岩系古地热流是古热导率和古地温梯度的主控因素,古地温梯度是煤化梯度的主控因素,以此作为进行煤变质作用热动力分析的理论依据。以热力为基准,温度正常情况下取决于沉降深度、地温梯度及围岩的导热性,其主要以热源和地热场强度的不同从而引起地温梯度不同来影响煤的变质的。据此分为两类六型[2-4]:(1)常地温热变质作用类:在正常地热场作用下引起的煤的变质作用。(2)异常地温热变质作用类:在异常地热场作用下,促进煤的变质作用。此类中,根据地热异常的不同热源划分为:岩浆热变质型、深大断裂热流上导热变质型、构造应力热变质型、莫霍面变动热变质型、其它热变质型。关于热(力)变质问题,不论热的来源如何,它引起煤的变质作用是显而易见的。就目前所知,大量的现象表现为岩浆热变质。它的影响范围又与岩浆活动的强弱、岩体规模的大小和持续时间的长短有关,岩浆的性质和喷气作用尤为重要。值得注意的是地温对煤变质的影响并不是单独起作用的,煤变质的温度在一般情况下应等于地温梯度与煤层上覆地层厚度的乘积(火成岩直接影响除外)。在地温梯度不变的前提下,煤层上覆地层的厚度大,煤变质过程中所处温度相对较高,相应煤的变质程度也高,形成高变煤所需的温度可以是上述方式形成,也可以是大的地温梯度乘以较小的上覆地层厚度。也就是说引起煤变质所需的温度并不一定都是通过地壳下降这一途径。另外关于放射性元素蜕变所发生的热变质现象,目前还研究得不够,对这种煤变质作用机理的认识,还有较多的困难,是否可单独作为热(力)变质的一种类型,现在下结论为时过早。从促使煤变质的热源考虑,如因地球内部物质,特别是上地幔物质向上运动所产生的附加热,深大断裂上导的高温,局部莫霍面较高,板块的活动等都可能增高煤的变质程度。由于促使煤变质的热源是多种多样的,因此构成了不同的煤变质作用类型。不同地质条件下,一个每煤田或煤产地的煤在普遍进行深成变质作用之外,又可经受一种或一种以上其他类型的煤变质作用,也可不止一次经受同一类型的变质作用,这就构成了煤的多热源叠加变质作用[5]。根据热源类型、热传导方式、热源的埋深、规模、形态的不同而引起煤变质特征的差异,划分的煤变质类型如下[6-8]:1.煤的深成变质作用煤的深成变质作用是指在正常低温状态下,煤的变质程度随煤层沉降幅度的加大、地温增高和受热时间的持续而增高。德国学者希尔特1873年在研究鲁尔等煤田时,发现随地层深度增加煤的挥发分产率有规律地减少。这一现象称之谓希尔特定律。希尔特定律奠定了煤的深成变质作用类型的基础。多数煤田遵循这一规律,然而也有煤田出现反常,较浅煤层变质程度比深煤层高,或同一煤层在很短距离内变质程度差异较大。这些反常可能是煤级形成的多因素影响、多阶段叠加、多种作用复合的结果。深成变质煤的演化程度总与一定的构造沉降、地热作用及有效受热时间的配置相对应,是一种具有普遍意义的煤变质现象。地温分布的不均一性及其随时间的地温场变化在一定程度上制约煤深成变质作用的发展。
2.煤的区域岩浆热变质作用煤的区域岩浆热变质作用是指聚煤凹陷内有岩浆活动,岩浆及所携带气液体的能量可使地温场增高。形成地热异常带,从而引起煤的变质作用。根据岩浆性质、侵入规模、侵入深度和沉积盖层的封闭程度分为3个亚型:浅成、中深成、和深成岩浆热变质作用。区域岩浆热变质作用常可达到很高的变质程度,煤级分带一般为环带状,越靠近岩体,煤的变质程度就越高,受区域岩浆热变质作用影响的煤,变质梯度高且涉及的地域广且叠加效果显著。高变质煤带的围岩往往发生蚀变,围岩中热液石英脉和方解石脉是区域岩浆热变质作用的重要标志。3.煤的接触变质作用煤的接触变质作用是指岩浆直接接触或侵入煤层,由其所带来的高温、气体、液体和压力,促使煤发生变质作用。根据岩体规模及侵入方式,将煤的接触变质作用分为3个亚型:脉岩岩浆接触变质作用、小型浅成岩浆接触变质作用和大型深成岩浆接触变质作用。接触变质作用使煤层、煤的显微组分、煤级、化学及工艺性质、显微结构和化学结构等均受热发生变化。许多资料说明火成岩只在与煤层接触部位或不大的范围内有明显影响,较小的岩体其影响范围很少超过50m。由于岩体规模小,热量少,散热快,此类型较常见但影响所及的范围有限。岩体的种类、大小、产状等,都直接影响着接触变质带的范围,应作为岩浆热变质的一种特殊类型来看待。4.煤的热液热水变质作用煤的热液热水变质作用是指煤在由来自地壳深部的岩浆分异气液或高温承压水所引起的异常地热场中发生的变质作用,可根据其特殊的热源性质热导介质和传热方式加以识别。煤的热液热水变质作用可在断裂带或岩浆活动区发育。按流体性质可分为热液变质作用亚型、热水变质作用两种类型。前者是煤田、矿区深部或附近有聚煤期后的岩浆活动和热液活动;后者指煤田内或附近有深大断裂带、断层和透水层等热水运移通道,两者都需要在煤田内或附两者都需要在煤田内或附近有保持热液或热水循环的地形和水文地质条件。热液热水变质煤的煤级展布比较复杂,在同一煤系中,煤层的煤级可呈现上高下低或波状起伏形态,平面上,煤级总的变化趋势与地下热水流向和距热液、热水活动通道的距离有关,越靠近主通道煤级越高。3. 讨论煤的变质因素以上谈的煤的变质类型,其实质是把引起煤变质的因素归为温度、压力和时间。但这都只是使煤变质的外部条件。必须考虑煤层本身甚至围岩在煤变质过程中所起的作用。1.成煤原始物质成分与环境的不同,在相同的温度和压力作用下煤的变质程度显然会有差别。因为成煤时古地理环境不同,引起成煤植物群落的差异,不同的植物群落形成的煤其煤岩组分和化学成分会有不同。介质不同的氧化还原条件,对最终参加成煤物质的成分也起着很大作用。煤岩组分中稳定组分含量高的煤,其变质程度相对偏低。煤变质程度较高的地区,稳定组分很少或见不到。这可能是与稳定组分的结构有关,因为稳定组分这类物质结构上缩合芳香部较少而侧链较长,在煤的变质过程中侧链的稳定性小容易逸散。侧链的逸散消耗了使煤变质的能量。其它煤岩组分,如镜质组含量对煤质的影响已有不少报道。2.同沉积构造对煤变质的影响,在成煤过程中,同沉积构造控制了成煤期的古地理环境,古地理环境的不同可导致植物群落发育的差异,有机物的氧化、保存以及混入矿物杂质的多少和围岩成分等的差异。煤的变质带、煤系的等厚线,含煤性分区线、煤的变质带方向与煤系等厚线及含煤性分区界线方向的联系,可以知道煤的变质与同沉积构造控制下的古地理环境有密切关系或是受到后期改造。镜质组反射率在测定低煤化阶段时辅以壳质组的荧光性是目前测试煤级最有效的参数.不过由于双反射的影响,在测试高变质煤时仍不够理想。新的煤级参数,如以牙形刺的色变指数、抱粉的透明度和颜色变化、伊利石的结晶度、共生矿物的形成温度以及碳优势指数等在煤化过程中的变化表示煤级,都可作为煤级参数[9-11]。另外,煤中矿物形成温度和粘土矿物随温度增高产生的变化可用于确定成煤温度,进而估算出煤化程度。4. 结束语各种变质现象,都是客观存在的,它们是在千变万化的地质条件下,相互影响,相互叠加,自身也呈现出巨大的变化。虽然就不同地区来讲,可能以某种煤变质因素为主,从而掩盖了另一些因素,但就对煤变质所起的重要性而言,它们之间的作用,显然是不能等量齐观的。促使煤变质的热源往往相互迭加,共同起作用,所以煤的变质程度常常是几种变质类型综合作用的结果。多煤级的形成是多阶段演化、多热源叠加变质的结果。总之,我们在研究煤变质问题时,既要承认客观存在的各种煤变质现象,又要正确估价不同地区各种变质类型所起的作用,还应探讨新的煤变质作用类型。这就要从成煤物质成分开始,考虑煤变质过程中可能出现的各种因素的影响,才能排除某些千扰,得出比较正确的结论。